美國連續(xù)剛構橋倒塌事故分析

美國連續(xù)剛構橋倒塌事故分析

1橋梁倒塌事故根據美國公路管理局（fhwa）國家橋梁數(shù)據庫提供的統(tǒng)計數(shù)據，2007年末美國共有橋梁59177座，缺陷橋梁151813座，缺陷橋梁約占25.4%。除缺陷橋梁外,還有一些橋梁因為功能退化或遭遇偶然事件而發(fā)生倒塌,危害出行者的生命安全,這類事故一發(fā)生,在社會上總是引起強烈反響。文獻統(tǒng)計了1951～1988年在美國發(fā)生的114起橋梁倒塌事故;文獻對1989～2000年的橋梁倒塌情況做了統(tǒng)計,由于這期間發(fā)生過幾次大地震和洪水,倒塌橋梁達到了503座。2000年以后,美國的橋梁倒塌事故仍不斷發(fā)生,而且事故的原因各不相同。因此,舊橋的現(xiàn)狀引起了美國橋梁界的普遍擔憂,認為服役橋梁亟待進行檢測、維修與加固。本文對2000～2008年美國倒塌的16座橋梁進行了數(shù)據統(tǒng)計和分析,以期給我國橋梁工程的建設帶來一些啟示。220規(guī)范橋梁倒塌事故信息數(shù)據庫的信息與分類1967年,美國西弗吉尼亞州的錫爾弗(Silver)橋在交通高峰時段突然倒塌,奪走了46人的生命。這一事故促使FHWA建立了全國橋梁數(shù)據庫,記錄全美橋梁的基本信息,但該數(shù)據庫并沒有提供以往發(fā)生的橋梁倒塌事故的詳細信息。目前,美國還沒有一個對橋梁倒塌事故進行詳細記錄的數(shù)據庫。本文的數(shù)據來自于FHWA的網站、各州運輸部的網站、美國國家交通安全委員會的通告、事故的官方調查報告、期刊雜志、新聞報道以及相關的橋梁網站,每座橋的信息都至少有2個來源。2000～2008年美國發(fā)生的橋梁倒塌事故主要有16起,如表1所示。文獻把引發(fā)橋梁倒塌的原因分為6大類,分別為設計失誤、構造尺寸不當、施工失誤、材料質量低下、養(yǎng)護不足和外部誘因。根據這些原因,把2000～2008年美國發(fā)生的16起橋梁倒塌事故進行分類(見表2)。從表2可以看出,引發(fā)橋梁倒塌的原因涵蓋了設計與施工失誤、養(yǎng)護不足和外部誘因。其中外部誘因(10例,占62.5%)是導致橋梁倒塌的主要原因。這一統(tǒng)計結果與文獻給出的1989～2000年美國橋梁倒塌原因總結的規(guī)律較為接近,在其統(tǒng)計結果中,約83%的倒塌事故都是由外因誘發(fā)的。3典型橋梁坍塌分析3.1結構基礎和結構利羅伊賽爾蒙橋位于佛羅里達州坦帕市的一個穿越城區(qū)的快速路上,橋梁上部結構箱梁采用預制節(jié)段拼裝施工,原計劃于2005年夏天完工。2004年4月13日,位于第50號大道出口附近的2跨梁突然坍塌,倒塌示意如圖1所示。事發(fā)時,其中一跨梁還在施工中,用于支撐箱梁節(jié)段的下行式桁架還未拆除。起初分析認為,局部地基土不穩(wěn)定和額外的桁架重量導致橋墩下沉了約4.6m,進而引發(fā)上部梁體坍塌。但調查發(fā)現(xiàn),引發(fā)事故的真正原因是設計失誤。設計單位設計的樁長普遍不夠,在地基土條件原本就很差的情況下,橋墩不能承受上部結構傳遞下來的荷載。在事故發(fā)生時,全線的橋墩已基本施工完畢。在這種情況下,再更改設計方案已經不可能,只能開展橋墩加固工作。整個工程因此推遲了1年才竣工,這給業(yè)主造成了巨大的經濟損失。3.2跨徑4.3跨越州際公路I-70的SR1014橋位于賓夕法尼亞州的華盛頓縣,建于1960年,是一座跨線簡支斜交橋,斜交角51°。該橋跨徑布置為(17+27+27+13)m,主梁由8片小箱梁組成。2005年12月27日傍晚,在沒有任何征兆的情況下,第3跨的邊梁突然倒塌,倒塌現(xiàn)場如圖2所示。隨后的調查發(fā)現(xiàn):①由于灌漿不密實,預應力筋的腐蝕情況嚴重;②橋面漏水嚴重;③各片主梁之間的橫向聯(lián)系失效,已不能共同受力;④除冰鹽等造成了混凝土的腐蝕?？梢?在倒塌之前,橋梁的功能已嚴重退化。3.3主橋結構尺寸I-35W橋連接明尼阿波利斯和圣保羅2座城市,建成于1967年。全橋共14跨,總長581m。主橋為三跨連續(xù)鋼桁架橋,跨越密西西比河,跨徑分布為(93+139+93)m。橋面寬32m,雙向8車道,但橫向只采用了2片主桁,主橋立面布置及截面尺寸如圖3所示。2007年8月1日晚6時05分左右,在沒有任何征兆的情況下橋梁突然垮塌,導致13人死亡、145人受傷,事故引起了世界范圍內的廣泛關注。據錄像顯示,垮塌最先發(fā)生在主橋的中跨,隨后邊跨向河岸方向傾倒。事故后的調查認為,垮塌是從中跨10號上節(jié)點板[如圖3(a)中圓圈所示位置]斷裂開始。資料顯示,本橋在1977年和1998年經歷了2次大修,混凝土面板平均厚度增加了5cm,橋面護欄的尺寸也有所增加。多個節(jié)點板的尺寸在當初設計制造中有嚴重的誤差,厚度只有設計要求的一半左右,大大降低了其承載能力。經過多年運營,桿件的腐蝕情況較嚴重。事故發(fā)生時,橋梁正處于一次維修狀態(tài),大型施工機械設備都已就位,而下班高峰期的擁擠車輛將剩余的車道排滿,造成嚴重偏載。綜合以上的多種因素,最終導致悲劇的發(fā)生。3.4主體梁體坍落下的鋼結構現(xiàn)場事故麥克阿瑟梅茲立交是加利福尼亞州奧克蘭一個非常大的立交橋群,連接奧克蘭、伯克利和舊金山的5條高速公路在這里交匯,是當?shù)刂匾慕煌ü?jié)點。其中南向的I-880州際公路從東向的I-580下穿行。2007年4月29日凌晨4時左右,一輛行駛在I-880上的汽油運輸車在變道時翻車,汽油外漏并引發(fā)大火,而事故地點就在I-880與I-580相交處。大火導致I-580高架橋的鋼蓋梁受高溫軟化并垮塌(見圖4),進一步導致上部結構2跨倒塌。I-880修建于1998年,主梁為預應力混凝土箱梁;I-580建于1955年,主梁為鋼-混疊合梁,橋墩蓋梁也采用了鋼結構。事故后的調查表明,I-880雖然是事故發(fā)生地,并且經歷上部梁體坍落時的沖擊,卻損壞不嚴重。通過進行一些簡單的修復和在梁底加支撐(見圖5),約8d后即恢復了交通。2004年3月25日,在康涅狄格州布里奇波特也發(fā)生了一起因油罐車起火而引發(fā)橋梁倒塌的事故。在該事故中,橋面板下的鋼主梁在高溫下軟化,導致橋梁嚴重下?lián)?。從這2個案例的對比可看出,混凝土梁的耐火性較鋼梁好。4梁抗震在我國橋梁運營中的問題從上述美國橋梁倒塌事故中,可以得到以下幾點啟示:(1)對意外事故的防范。根據本文、文獻和文獻的統(tǒng)計,因外部誘因(如船撞、火災、颶風、地震等)而倒塌的橋梁分別占倒塌橋梁總數(shù)的62.5%、90%和83%?？梢?這些外部誘因是導致橋梁倒塌的主要原因。目前,各國對橋梁抗震的研究相對較多,并且均有抗震設計規(guī)范。在橋墩防撞、颶風、火災等問題上雖有認識,但在實際工程中的考慮還明顯不足。(2)對耐久性問題的重視。美國的鋼橋數(shù)量相比我國要多很多,從這些倒塌事故可以看出,雖然鋼橋與混凝土橋的耐久性問題側重點不一樣,但問題都很突出。鋼橋存在鋼材腐蝕、疲勞、低溫脆斷和耐火性差等問題;混凝土橋則存在鋼筋腐蝕、混凝土劣化等現(xiàn)象。目前在我國橋梁工程界,提高耐久性的意識還不強,規(guī)范中相應措施的可操作性還不夠好,研究與實踐均需要加強。(3)對檢測、評估工作的要求